WO2014131637A1 - Drucksensor - Google Patents

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WO2014131637A1
WO2014131637A1 PCT/EP2014/052980 EP2014052980W WO2014131637A1 WO 2014131637 A1 WO2014131637 A1 WO 2014131637A1 EP 2014052980 W EP2014052980 W EP 2014052980W WO 2014131637 A1 WO2014131637 A1 WO 2014131637A1
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measuring
pressure sensor
base body
pressure
measuring diaphragm
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Andreas Rossberg
Ulfert Drewes
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Endress+Hauser Gmbh+Co. Kg
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/0041—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms
    • G01L9/0072—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance
    • G01L9/0075—Transmitting or indicating the displacement of flexible diaphragms using variations in capacitance using a ceramic diaphragm, e.g. alumina, fused quartz, glass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/04—Means for compensating for effects of changes of temperature, i.e. other than electric compensation
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L19/00—Details of, or accessories for, apparatus for measuring steady or quasi-steady pressure of a fluent medium insofar as such details or accessories are not special to particular types of pressure gauges
    • G01L19/06—Means for preventing overload or deleterious influence of the measured medium on the measuring device or vice versa
    • G01L19/0627—Protection against aggressive medium in general

Definitions

  • the invention relates to a pressure sensor having a ceramic base body, a measuring diaphragm connected to the base body to form a measuring chamber, and an electromechanical transducer serving to convert a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into an electrical primary signal.
  • Pressure sensors include absolute pressure sensors that measure the absolute vacuum pressure applied to the diaphragm,
  • Relative pressure sensors the pressure applied to the measuring membrane with respect to a reference chamber supplied to the measuring pressure, such. the current atmospheric pressure, and measure differential pressure sensors which detect a pressure difference between a first pressure acting on a first diaphragm and a second pressure acting on a second diaphragm second pressure.
  • Measuring diaphragm, and an electromechanical transducer which serves to convert a pressure-dependent deformation of the diaphragm into a primary electrical signal.
  • Ceramic has for application in pressure measurement particularly advantageous thermal, chemical and mechanical properties, including high long-term stability of the achievable measurement results and within relatively wide temperature ranges relatively stress-free installation of the pressure sensor in not shown here, usually metallic sensor housing and / or Allow process connections. Since the measuring membranes regularly the medium, its pressure
  • Aluminum oxide is particularly suitable for this purpose.
  • Pressure sensors are often used in comparatively large temperature ranges, e.g. used in temperature range from -40 ° C to 150 ° C. In order to avoid thermal stresses, the base body and measuring diaphragm are therefore regularly made of the same ceramic material.
  • Body and membrane are made of different materials, they would be due to the different thermal
  • Temperature gradient which subsequently decreases with increasing temperature equalization of the base body and measuring diaphragm.
  • the temperature gradient also occurs when the diaphragm and the base body are made of the same material. Temperature differences between the measuring diaphragm and the base body are made of the same material.
  • Body lead within the pressure sensor to voltages that can cause deformation of the measuring diaphragm. This is from the detected electromechanical transducer.
  • the electromechanical transducer can not between the thermal and pressure-induced deformations of
  • the measuring signal derived from the transducer thus has a temperature-dependent measurement error with each temperature change, which decreases in time with increasing approximation of the body temperature and the measuring membrane temperature.
  • the invention consists in a pressure sensor with a ceramic base body, a measuring diaphragm connected to the base body to form a measuring chamber, and an electromechanical transducer, which serves to convert a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm into an electrical primary signal, wherein the main body
  • thermo conductivity of greater than or equal to 50 W / mK exists.
  • a material with a thermal conductivity greater than or equal to 100 W / mK is used for this purpose.
  • Aluminum nitride (AIN), beryllium oxide (BeO), silicon carbide (SiC) or silicon nitride (Si 3 N 4 ) are particularly suitable for this purpose.
  • the measuring diaphragm and the base body are made of the same material, and the measuring diaphragm is externally provided with a cover layer, esp.
  • a cover layer made of a corrosion and / or abrasion resistant material, especially of alumina or of
  • the material of the measuring diaphragm preferably a thermal expansion coefficient which is greater than or equal to the coefficient of thermal expansion of the material of the base body.
  • the measuring membrane is preferably a corrosion and / or
  • Abrasion-resistant material esp. Alumina used.
  • the invention offers the advantage that the heat supplied to the main body can spread rapidly due to its high thermal conductivity and can flow away. It thus affects the formation of temperature gradients over the
  • Fig. 1 shows: a ceramic pressure sensor
  • Fig. 2 shows: a ceramic pressure sensor, the measuring membrane is externally provided with a cover layer.
  • Fig. 1 shows a section through a pressure sensor according to the invention.
  • a capacitive sensor is shown.
  • the pressure sensor comprises a substantially cylindrical ceramic base body 1 and a disk-shaped measuring diaphragm 5 connected in a pressure-tight manner to the base body 1 to form a measuring chamber 3.
  • the pressure sensor may be designed, for example, as an absolute pressure sensor. In that case, the measuring chamber enclosed under the measuring diaphragm 5 is 3 evacuated. Alternatively, the pressure sensor as a relative or
  • Differential pressure sensor are formed, in which the measuring chamber 3 via a guided through the base body 1 - not shown here - pressure supply a reference pressure, e.g. an ambient pressure, or a second pressure is supplied.
  • a reference pressure e.g. an ambient pressure
  • the invention is equally applicable to ceramic differential pressure sensors. These regularly have a ceramic base body, on the two opposite end faces in each case one with the main body to form a measuring chamber pressure-tight connected disk-shaped
  • Measuring diaphragm is arranged.
  • the measuring diaphragm 5 is pressure-sensitive, i. an outside on it
  • the pressure sensor has an electromechanical transducer, which serves to convert a pressure-dependent deformation of the measuring diaphragm 5 into a primary electrical signal.
  • a capacitive transducer is shown here, which has an electrode 7 which is applied in a planar manner to a surface of the base body 1 facing the measuring diaphragm 5 and an inner side of the base body 1 facing the base body 1
  • Measuring membrane 5 surface-mounted counter electrode 9 comprises.
  • the electrode 7 is electrically connected to a measuring electronics 13 via a primary signal path 11 conducted through the main body 1
  • Electrode 7 and counter electrode 9 form a capacitor whose capacitance changes as a function of the pressure-induced deflection of the measuring diaphragm 5.
  • the pressure-dependent capacitance or its changes are detected by a connected to the electrode 7 and the counter electrode 9 measuring electronics 13 and a pressure-dependent measurement signal
  • the main body 1 consists of a ceramic which has a high thermal conductivity, in particular a thermal conductivity greater than or equal to 50 W / mK having.
  • a material is selected whose thermal conductivity is greater than or equal to 100 W / mK.
  • the base body 1 is preferably made of aluminum nitrite (AIN).
  • AIN aluminum nitrite
  • BeO berrylium oxide
  • SiC silicon carbide
  • Silicon nitrite Si3N can be used.
  • Aluminum oxides regularly have a thermal conductivity of less than 25 W / mK. Also expensive special materials, such as high-purity alumina
  • Ceramics and sapphires have thermal conductivities of less than 40 W / mK.
  • the high thermal conductivity of the base body 1 causes the
  • Body 1 supplied heat flows quickly. If a pressure sensor according to the invention is exposed to rapid temperature fluctuations or temperature changes, the high thermal conductivity of the formation of
  • the measuring diaphragm 5 is preferably made of the same material as the main body 1. Where this is not possible in view of the other requirements for the measuring diaphragm 15, a measuring diaphragm 15 is preferably used, which consists of the highly thermally conductive material of the base body 1, and
  • Cover layer 17, the cover layer 17 is preferably formed thin.
  • a base body 1 made of aluminum nitride can be used in conjunction with a measuring membrane 15 made of aluminum nitride, which on the outside thereof with a cover layer 17 made of aluminum oxide or from
  • the cover layer 17 is made of high purity alumina. This variant is shown in FIG. 2. Methods for producing such a cover layer on a carrier made of aluminum nitrite or silicon nitrite are described, for example, in DE 10 2005 061 049 A1
  • an uncoated measuring membrane 5 which consists of a material whose coefficient of thermal expansion is as close as possible to the coefficient of thermal expansion of the material of the base body 1, and preferably greater than or equal to
  • connection can be used with a measuring membrane 5 made of aluminum oxide.
  • Berryliumoxid is unsuitable as a material for the base body 1 in conjunction with a measuring membrane 5 of aluminum oxide, however, because it has a higher thermal expansion coefficient than aluminum oxide.

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Abstract

Es ist ein Drucksensor mit einem keramischen Grundkörper (1), einer mit dem Grundkörper (1) unter Bildung einer Messkammer (3) verbundenen Messmembran (5, 15), und einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran (5, 15) in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, beschrieben, der, insb. auch bei Temperaturwechseln, einen geringen thermischen Messfehler aufweist, indem der Grundkörper (1) aus einer Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insb. einer Wärmeleitfähigkeit von größer gleich 50 W/mK, besteht.

Description

Drucksensor
Die Erfindung betrifft einen Drucksensor mit einem keramischen Grundkörper, einer mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer verbundenen Messmembran, und einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln.
Drucksensoren umfassen Absolutdrucksensoren, die den absoluten, auf die Messmembran einwirkenden Druck gegen Vakuum messen,
Relativdrucksensoren, die den auf die Messmembran einwirkenden Druck bezogen auf einen der Messkammer zugeführten Referenzdruck, wie z.B. dem aktuellen Atmosphärendruck, messen, sowie Differenzdrucksensoren, die eine Druckdifferenz zwischen einem auf eine erste Messmembran einwirkenden ersten Druck und einem auf eine zweite Messmembran einwirkenden zweiten Druck erfassen.
Sie finden heute weit gefächerte Anwendung in nahezu allen Bereichen der industriellen Messtechnik. Keramische Drucksensoren werden von der
Anmelderin unter der Bezeichnung Cerabar hergestellt und in Verkehr gebracht.
Sie umfassten regelmäßig einen keramischen Grundkörper, eine mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer druckdicht verbundene
Messmembran, und einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln.
Keramik weist für die Anwendung in der Druckmesstechnik besonders vorteilhafte thermische, chemische und mechanische Eigenschaften auf, die unter anderem eine hohe Langzeitstabilität der erzielbaren Messergebnisse und einen innerhalb weiter Temperaturbereiche verhältnismäßig spannungsfreien Einbau des Drucksensors in hier nicht dargestellte, in der Regel metallische Sensorgehäuse und/oder Prozessanschlüsse erlauben. Da die Messmembranen regelmäßig dem Medium, dessen Druck
messtechnisch erfasst werden soll, unmittelbar ausgesetzt sind, werden für Messmembranen bevorzugt Werkstoffe mit hoher chemischer und
mechanischer Beständigkeit eingesetzt. Hierzu eignet sich insb. Aluminiumoxid.
Dabei werden zum Teil sehr teure Spezialwerkstoffe, wie z.B. hochreines Aluminiumoxid oder Saphir eingesetzt, die sich durch eine besonders hohe Korrosionsfestigkeit auszeichnen. Darüber hinaus ist es z.B. in der DE 39 12 217 A1 , sowie in der DE 10 2006 056 172 A1 beschrieben, die
Messmembranen von Drucksensoren mit einer dünnen korrosions- und/oder abrasionsbeständigen Deckschicht zu versehen.
Drucksensoren werden häufig in vergleichsweise großen Temperaturbereichen, z.B. in Temperaturbereich von -40°C bis 150°C eingesetzt. Um thermische Spannungen zu vermeiden werden Grundkörper und Messmembran daher regelmäßig aus dem gleichen keramischen Werkstoff gefertigt. Würden
Grundkörper und Membran aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen, würden sie sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe über Temperatur unterschiedlich stark ausdehnen. Hierdurch entstehen Spannungen im Drucksensor, die sich auf die Druckempfindlichkeit der Messmembran, insb. deren Steifigkeit, auswirken, und somit zu temperaturabhängigen Messfehlern führen.
Es gibt eine Vielzahl von Anwendungen, in denen diese Drucksensoren
Temperaturwechseln ausgesetzt sind. Insb. bei großen Temperatursprüngen oder zeitlich schnell veränderlichen Temperaturen führt dies regelmäßig dazu, dass sich im Drucksensor ein Temperaturgefälle ausbildet. Ein
Temperatursprung bewirkt anfänglich ein vergleichsweise großes
Temperaturgefälle, das nachfolgend mit zunehmender Temperaturangleichung von Grundkörper und Messmembran abnimmt. Das Temperaturgefälle tritt auch dann auf, wenn Membran und Grundkörper aus dem gleichen Material bestehen. Temperaturdifferenzen zwischen der Messmembran und dem
Grundkörper führen innerhalb des Drucksensors zu Spannungen, die eine Verformung der Messmembran bewirken können. Diese wird vom elektromechanischen Wandler erfasst. Der elektromechanische Wandler kann nicht zwischen thermischen und druckbedingten Verformungen der
Messmembran unterscheiden. Entsprechend wird auch eine rein thermisch bedingte Verformung als Änderung des zu messenden Drucks erfasst. Das vom Wandler abgeleitete Messsignal weist somit bei jedem Temperaturwechsel einen temperaturabhängigen Messfehler auf, der zeitlich mit zunehmender Angleichung von Grundkörper- und Messmembrantemperatur abnimmt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen keramischen Drucksensor anzugeben, der, insb. auch bei Temperaturwechseln, einen geringen thermischen
Messfehler aufweist.
Hierzu besteht die Erfindung in einem Drucksensor mit einem keramischen Grundkörper, einer mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer verbundenen Messmembran, und einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln, wobei der Grundkörper
erfindungsgemäß aus einer Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insb. einer Wärmeleitfähigkeit von größer gleich 50 W/mK, besteht.
Vorzugsweise wird hierzu ein Werkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit größer gleich 100 W/mK verwendet.
Hierzu eignen sich insb. Grundkörper aus Aluminiumnitrid (AIN), Berryliumoxid (BeO), Siliciumcarbid (SiC) oder Siliciumnitrit (Si3N4).
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung bestehen Messmembran und Grundkörper aus dem gleichen Werkstoff, und die Messmembran ist außen mit einer Deckschicht, insb. einer Deckschicht aus einem korrosions- und/oder abrasionsbeständigen Werkstoff, insb. aus Aluminiumoxid oder aus
Silciumkarbid, versehen.
Alternativ können Messmembran und Grundkörper aus verschiedenen
Werkstoffen bestehen. In dem Fall weist der Werkstoff der Messmembran vorzugweise einen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der größer gleich dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Grundkörpers ist. Hierbei wird für die Messmembran vorzugsweise ein korrosions- und/oder
abrasionsbeständiger Werkstoff, insb. Aluminiumoxid, verwendet.
Die Erfindung bietet den Vorteil, dass dem Grundkörper zugeführte Wärme sich aufgrund dessen hoher Wärmeleitfähigkeit schnell ausbreiten und abfließen kann. Sie wirkt somit der Ausbildung von Temperaturgefällen über den
Drucksensor hinweg unmittelbar entgegen. Bei Temperaturwechseln über den Drucksensor entstehende Temperaturdifferenzen fallen somit kleiner aus, und bauen sich aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers schneller wieder ab. Je geringer die auftretenden Temperaturgefälle sind, umso geringer ist auch der dadurch bedingte Messfehler. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers wird somit sowohl die Größe als auch die Zeitdauer von bei Temperaturwechseln auftretenden Messfehlern reduziert.
Die Erfindung und deren Vorteile werden nun anhand der Figuren der
Zeichnung, in denen zwei Ausführungsbeispiele dargestellt sind, näher erläutert. Gleiche Element sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt: einen keramischen Drucksensor; und
Fig. 2 zeigt: einen keramischen Drucksensor, dessen Messmembran außen mit einer Deckschicht versehen ist.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Drucksensor. Als Beispiel ist ein kapazitiver Sensor dargestellt. Der Drucksensor umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen keramischen Grundkörper 1 und eine mit dem Grundkörper 1 unter Bildung einer Messkammer 3 druckdicht verbundenen scheibenförmigen Messmembran 5.
Der Drucksensor kann beispielsweise als Absolutdrucksensor ausgebildet sein. In dem Fall ist die unter der Messmembran 5 eingeschlossene Messkammer 3 evakuiert. Alternativ kann der Drucksensor als Relativ- oder
Differenzdrucksensor ausgebildet werden, in dem der Messkammer 3 über eine durch den Grundkörper 1 hindurch geführte - hier nicht dargestellte - Druckzuleitung ein Referenzdruck, z.B. ein Umgebungsdruck, oder ein zweiter Druck zugeführt wird.
Die Erfindung ist genauso bei keramischen Differenzdrucksensoren einsetzbar. Diese weisen regelmäßig einen keramischen Grundkörper auf, auf dessen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils eine mit dem Grundkörper unter Bildung einer Messkammer druckdicht verbundene scheibenförmige
Messmembran angeordnet ist.
Die Messmembran 5 ist druckempfindlich, d.h. ein von außen auf sie
einwirkender Druck bewirkt eine Auslenkung der Messmembran 5 aus deren Ruhelage. Der Drucksensor weist einen elektromechanischen Wandler auf, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran 5 in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln. Als Ausführungsbeispiel ist hier ein kapazitiver Wandler dargestellt, der eine auf einer der Messmembran 5 zugewandten Oberfläche des Grundkörpers 1 flächig aufgebrachte Elektrode 7 und eine auf einer dem Grundkörper 1 zugewandten Innenseite der
Messmembran 5 flächig aufgebrachte Gegenelektrode 9 umfasst.
Die Elektrode 7 wird über einen durch den Grundkörper 1 hindurch nach außen geführten Primärsignalpfad 1 1 elektrisch an eine Messelektronik 13
angeschlossen. Elektrode 7 und Gegenelektrode 9 bilden einen Kondensator, dessen Kapazität sich in Abhängigkeit von der druckbedingten Auslenkung der Messmembran 5 ändert. Die druckabhängige Kapazität bzw. deren Änderungen werden über eine an die Elektrode 7 und die Gegenelektrode 9 angeschlossene Messelektronik 13 erfasst und in ein druck-abhängiges Messsignal
umgewandelt, das dann zur Anzeige, zur weiteren Verarbeitung und/oder Auswertung zur Verfügung steht.
Erfindungsgemäß besteht der Grundkörper 1 aus einer Keramik, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit, insb. eine Wärmeleitfähigkeit größer gleich 50 W/mK aufweist. Vorzugsweise wird ein Werkstoff gewählt, dessen Wärmeleitfähigkeit größer gleich 100 W/mK ist.
Hierzu wird der Grundkörper 1 vorzugsweise aus Aluminiumnitrit (AIN) gefertigt. Alternativ ist sind auch Berryliumoxid (BeO), Siliciumcarbid (SiC) oder
Siliciumnitrit (Si3N ) einsetzbar.
Während Messmembran und Grundkörper heutiger Drucksensoren aus den eingangs genannten Gründen heute regelmäßig aus Aluminiumoxid bestehen, wird hier bewusst ein Werkstoff für den Grundkörper 1 eingesetzt, der eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumoxid aufweist.
Aluminiumoxide weisen regelmäßig eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 25 W/mK auf. Auch teure Spezialwerkstoffe, wie hochreine Aluminiumoxid
Keramiken und Saphire weisen Wärmeleitfähigkeiten von weniger als 40 W/mK auf.
Die hohe Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers 1 bewirkt, dass dem
Grundkörper 1 zugeführte Wärme schnell abfließt. Wird ein erfindungsgemäßer Drucksensor raschen Temperaturschwankungen oder Temperaturwechseln ausgesetzt, so wirkt die hohe Wärmeleitfähigkeit der Ausbildung von
Temperaturgefällen über den Drucksensor hinweg unmittelbar entgegen. Über den Drucksensor entstehende Temperaturdifferenzen fallen somit kleiner aus. Darüber hinaus bauen sie sich aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers 1 schneller wieder ab. Je geringer die auftretenden
Temperaturgefälle sind, umso geringer ist auch der dadurch bedingte
Messfehler. Durch die hohe Wärmeleitfähigkeit des Grundkörpers 1 wird somit sowohl die Größe als auch die Zeitdauer von bei Temperaturwechseln auftretenden Messfehlern reduziert. Soweit dies im Hinblick auf die sonstigen Anforderungen an die Messmembran 5, insb. im Hinblick auf deren Korrosions- und/oder Abrasionsbeständigkeit, möglich ist, besteht auch die Messmembran 5 vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff wie der Grundkörper 1 . Wo dies im Hinblick auf die sonstigen Anforderungen an die Messmembran 15 nicht möglich ist, wird vorzugsweise eine Messmembran 15 eingesetzt, die aus dem gut wärmeleitenden Werkstoff des Grundkörpers 1 besteht, und
außenseitlich mit einer den sonstigen Anforderungen genügenden Deckschicht 17 versehen ist. Insb. im Hinblick auf gegebenenfalls bestehende Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Messmembran 15 und
Deckschicht 17, wird die Deckschicht 17 vorzugsweise dünn ausgebildet.
Es kann beispielsweise ein Grundkörper 1 aus Aluminiumnitrit in Verbindung mit einer Messmembran 15 aus Aluminiumnitrid eingesetzt werden, die auf deren Außenseite mit einer Deckschicht 17 aus Aluminiumoxid oder aus
Siliciumkarbid versehen ist. Vorzugsweise besteht die Deckschicht 17 aus hochreinem Aluminiumoxid. Diese Variante ist in Fig. 2 dargestellt. Verfahren zur Erzeugung einer solchen Deckschicht auf einem Träger aus Aluminiumnitrit oder Siliziumnitrit sind beispielsweise in der DE 10 2005 061 049 A1
beschrieben.
Alternativ kann eine unbeschichtete Messmembran 5 eingesetzt werden, die aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeausdehnungskoeffizienten dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials des Grundkörper 1 möglichst ähnlich ist, und der vorzugsweise größer gleich dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Grundkörper 1 ist.
Dies bietet den Vorteil, dass die Messmembran 5 bei unterschiedlicher thermischer Ausdehnung von Grundkörper 1 und Messmembran 5 unter Zugspannung gerät, und somit definierte Verhältnisse vorliegen. Ein hieraus resultierender Messfehler kann bei Bedarf durch entsprechende Kalibration des Drucksensors rechnerisch kompensiert werden.
Wäre der Ausdehnungskoeffizient des Grundkörpers 1 größer als der der Messmembran 1 würden dagegen bei ungleicher thermischer Ausdehnung bistabile Einspannungsverhältnisse der Messmembran 5 vorliegen, mit der Folge, dass eine Kompensation des durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen bedingten Messfehlers dann regelmäßig nicht möglich ist. Ein Beispiel hierfür wäre ein Drucksensor, dessen Grundkörper 1 aus
Aluminiumnitrid, und dessen Messmembran 5 aus gegenüber Aluminiumnitrid deutlich korrosionsbeständigeren Aluminiumoxid besteht.
Ebenso kann ein Grundkörper 1 aus Siliciumkarbid oder Siliciumnitrit in
Verbindung mit einer Messmembran 5 aus Aluminiumoxid eingesetzt werden. Berryliumoxid ist als Werkstoff für den Grundkörper 1 in Verbindung mit einer Messmembran 5 aus Aluminiumoxid dagegen ungeeignet, da es einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist als Aluminiumoxid.
Grundkörper
Messkammer
Messmembran
Elektrode
Gegenelektrode
Primärsignalpfad
Messelektronik
Messmembran
Deckschicht

Claims

Patentansprüche
1 . Drucksensor mit
- einem keramischen Grundkörper (1 ),
- einer mit dem Grundkörper (1 ) unter Bildung einer Messkammer (3)
verbundenen Messmembran (5, 15), und
- einem elektromechanischen Wandler, der dazu dient, eine druckabhängige Verformung der Messmembran (5, 15) in ein elektrisches Primärsignal umzuwandeln,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Grundkörper (1 ) aus einer Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insb. einer Wärmeleitfähigkeit von größer gleich 50 W/mK, besteht.
2. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
die Wärmeleitfähigkeit der Keramik des Grundkörpers (1 ) größer gleich 100 W/mK ist.
3. Drucksensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1 ) aus Aluminiumnitrid (AIN), Berryliumoxid (BeO),
Siliciumcarbid (SiC) oder Siliciumnitrit (Si3N4) besteht.
4. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
- Messmembran (15) und Grundkörper (1 ) aus dem gleichen Werkstoff bestehen, und
- die Messmembran (15) außen mit einer Deckschicht (17), insb. einer
Deckschicht (17) aus einem korrosions- und/oder abrasionsbeständigen Werkstoff, insb. aus Aluminiumoxid oder Siliciumkarbid, versehen ist.
5. Drucksensor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass
- Messmembran (5) und Grundkörper (1 ) aus verschiedenen Werkstoffen bestehen, und
- der Werkstoff der Messmembran (5) einen
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der größer gleich dem
Wärmeausdehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Grundkörpers (1 ) ist.
6. Drucksensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messmembran (5) aus einem korrosions- und/oder abrasionsbeständigen Werkstoff, insb. aus Aluminiumoxid, besteht.
PCT/EP2014/052980 2013-02-27 2014-02-17 Drucksensor WO2014131637A1 (de)

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